Физиците откриват най-силните доказателства за материя, генерирана от сблъсъци на светлина

(sakkmesterke/iStock/Getty Images Plus)

Според теорията, ако разбиете два фотона достатъчно силно, можете да генерирате материя: двойка електрон-позитрон, превръщането на светлината в маса според теорията на Айнщайн за специална теория на относителността .

Нарича се процес Breit-Wheeler, изложен за първи път от Грегъри Breit и John A. Wheeler през 1934 г. и имаме много основателна причина да вярваме, че ще работи.

Но прякото наблюдение на чистото явление, включващо само два фотона, остава неуловимо, главно защото фотоните трябва да бъдат изключително енергични (т.е. гама лъчи) и все още нямаме технологията за изграждане на гама-лазер.

Сега физиците от Националната лаборатория Брукхейвън казват, че са намерили начин да заобиколят този препъникамък, използвайки релативистичния ускорител на тежки йони (RHIC) на съоръжението - което води до пряко наблюдение на процеса Breit-Wheeler в действие.

„В своя документ Брейт и Уилър вече осъзнаха, че това е почти невъзможно да се направи,“ каза физикът Джанбу Сю от лабораторията Brookhaven.

„Лазерите дори още не са съществували! Но Брейт и Уилър предложиха алтернатива: ускоряване на тежки йони. И тяхната алтернатива е точно това, което правим в RHIC.

Но какво общо имат ускорените йони с фотонните сблъсъци? Е, можем да обясним.

Процесът включва, както подсказва името на колайдера, ускоряващи йони - атомни ядра, лишени от своите електрони. Тъй като електроните имат отрицателен заряд, а протоните (в ядрото) имат положителен заряд, отделянето му оставя ядрото с положителен заряд. Колкото по-тежък е елементът, толкова повече протони има и толкова по-силен е положителният заряд на получения йон.

Екипът използва златни йони, които съдържат 79 протона и мощен заряд. Когато златните йони се ускоряват до много високи скорости, те генерират кръгово магнитно поле, което може да бъде толкова силно, колкото перпендикулярното електрическо поле в колайдера. Там, където се пресичат, тези еднакви полета могат да произведат електромагнитни частици или фотони.

„Така че, когато йоните се движат близо до скоростта на светлината, има куп фотони, обграждащи златното ядро, пътуващи с него като облак“, Xu обясни .

При RHIC йоните се ускоряват до релативистични скорости - тези, които са значителен процент от скоростта на светлината. В този експеримент златните йони бяха ускорени до 99,995 процента от скоростта на светлината.

Това е мястото, където се случва магията: когато два йона просто се разминат, техните два облака от фотони могат да си взаимодействат и да се сблъскат. Самите сблъсъци не могат да бъдат открити, но получените двойки електрон-позитрон могат.

Не е достатъчно обаче просто да се открие двойка електрон-позитрон.

Диаграма, показваща как почти неуспехът на златните йони предизвиква фотонни сблъсъци. (Лаборатория Брукхейвън)

Това е така, защото фотоните, произведени от електромагнитното взаимодействие, са виртуален фотони, появяващи се за кратко и изчезващи, и без същата маса като техните „реални“ двойници.

За да бъде истински процес на Breit-Wheeler, два реални фотона трябва да се сблъскат - не два виртуални фотона, нито виртуален и реален фотон.

При релативистичните скорости на йоните виртуалните частици могат да се държат като истински фотони. За щастие, има начин физиците да разберат кои двойки електрон-позитрон са генерирани от процеса на Брайт-Уилър: ъглите между електрона и позитрона в двойката, генерирана от сблъсъка.

Всеки тип сблъсък - виртуален-виртуален, виртуален-реален и реално-реален - може да бъде идентифициран въз основа на ъгъла между двете произведени частици. Така че изследователите откриха и анализираха ъглите на над 6000 двойки електрон-позитрон, генерирани по време на техния експеримент.

Те откриха, че ъглите съответстват на сблъсъци между реални фотони - процесът на Breit-Wheeler в действие.

„Ние също така измерихме всички енергийни, масови разпределения и квантови числа на системите. Те са в съответствие с теоретичните изчисления за това какво би се случило с истинските фотони, каза физикът Даниел Бранденбург от лабораторията Brookhaven.

„Нашите резултати предоставят ясно доказателство за директно, едноетапно създаване на материя- антиматерия двойки от сблъсъци на светлина, както първоначално е предсказано от Breit и Wheeler.'

Аргументът може да бъде много разумен, че няма да имаме директен първо откриване на чист, единичен фотон-фотонен процес на Breit-Wheeler, докато не сблъскаме фотони, приближаващи енергията на гама лъчите.

Независимо от това, работата на екипа е много завладяваща - най-малкото показва, че лаем на правилното дърво с Брейт и Уилър.

Ще продължим да наблюдаваме това пространство жадно.

Изследването е публикувано в Писма за физически преглед .

За Нас

Публикуването На Независими, Доказани Факти От Доклади За Здравето, Пространството, Природата, Технологиите И Околната Среда.